高分子材料结构与性能测试2018-3教材版-PDF

第3 章聚合物力性性能测试

3.1拉伸性能测试

3.2弯曲性能测试

3.3冲击性能测试

3.4压缩性能测试

3.5塑料硬度测试

3.5.1邵氏硬度

3.5.2球压痕硬度

3.5.3洛氏硬度

3.6摩擦及磨耗性能测试

3.7动态热机械分析

有些高分子材料制件是在摩擦条件下使用的，例如：橡胶件（轮胎

、输送带、传动带、胶鞋底等）和塑料件（齿轮、轴承、蜗轮、导轨等），这些制件在使用过程中都要求其有良好的减摩耐磨性能。

其中有不少的高分子材料具有优异的摩擦磨耗性能，如聚四氟乙烯

、尼龙、聚甲醛、超高分子量聚乙烯等，它们的摩擦系数很低，且耐磨

。在工程上，常用它们来制造各种机械的减摩耐磨零件，为此必须对高

分子材料的摩擦与磨耗性能进行测试，为设计提供一定的参考数据。

3.6摩擦及磨耗性能测试

摩擦性能主要是指材料的摩擦系数；磨耗性能主要

是指在摩擦过程中，材料的表面不断损失的性能。

1

3.6.1概念与原理

摩擦

3.6.1.1

当两个互相接触的物体，彼此间有相对位移或相对位移趋势时，互相间产生阻碍位移的机械作用力，称为摩擦力，这种现象就叫做摩擦。

当两物体间只有滑动趋势而保持相对静止时的摩擦称为静滑动摩擦，摩擦力称为静摩擦力。静摩擦力与外力的大小相等，方向相反，当外力大于某一极限值时，物体就不能再维持静止状态而发生滑动了，即产生动滑动摩擦。由此可知，静摩擦力有一最大值，称为最大静摩擦力。经大量实验证明，最大静摩擦力与物体间的正压力成正比，即为:

式中，F

max

—最大滑动摩擦力，N；μs—静摩擦系数；N—接触表面上的正压力，N

当物体处于相对滑动时的摩擦称为

动滑动摩擦，摩擦力称为动摩擦力，动

摩擦力与正压力也成正比，表示为：

式中，F

D

—滑动摩擦力，N；μD—动摩擦系数；N—接触表面上的正压力，N

磨耗

3.6.1.2物体在互相摩擦的过程中，其接触面上的物质不断损失的现象称为磨耗或磨损。常用磨耗量来表示高分子材料的耐磨程度，常用的表示方法如下：

●重量磨耗W ：试样摩擦前后的重量改变量，以“g/kr ”或“kg/kr ”来表

示，其中kr 表示为1000转，常用来测定密度相近的材料。

●体积磨耗V ：试样摩擦前后的体积改变量，用“mm 3/kr ”来表示，常用

来测定不同密度的材料。

●旋转次数N ：以达到规定磨耗所需的旋转次数N

（时间或距离）来表示。

4

●磨痕深度C ：试样平面与转轴表面摩擦时，材料

表面产生凹痕，以mm 为单位。

磨损源于摩擦，当制件受摩擦时，表面材料以小颗粒的形式断裂下来，这就是磨损，但不是简单的正比关系，一般而言，磨损随载荷和时间的增加而增加，其磨损量V 可由下式表示:

式中，K —磨损系数，单位载荷、单位滑动距离的磨损体积，

mm 3/(N·mm)；F —载荷，N ；S —摩擦面移动的距离，mm 。

mm 3

在实际应用中，常用磨痕深度C 来表示磨损量，表达式为：

式中，C —磨痕深度，mm ；p —单位面积上的载荷，N/mm 2；

v —相对滑动速度，mm/s ；t —摩擦时间，s ；K 同前。

mm

5

3.6.2

摩擦及磨耗性能测试

摩擦系数的测定

3.6.2.1

将试样水平地放在一平台上，施加一定的正压力N ，用一根细绳跨过一个滑轮，一端系在试样上，另一端悬挂砝码。测定时逐渐地加砝码，直到试样刚出现微小滑动为止，此时的砝码重量就等于试样与平台的最大静摩擦力F max ，与正压力N 之比，即得到试样与平台面的静摩擦系数μs 。

若细绳上不悬挂砝码，而挂上一弹簧秤，当用力拉弹簧秤时，记下试样刚滑动瞬间的力F max 和滑动时候的力F D ，即可计算出滑动靡擦系数μk 。

磨耗的测定

3.6.2.1塑料滑动摩擦磨损试验，参照GB 3960-1983《塑料滑动摩擦磨损

试验方法》。

试样分别安装在上下转轴上，上转轴可以360r/min 或380r/min 的速度转动，下转轴可以400r/min 或200r/min 的速度转动。要求圆环（45钢）安装部位轴的径向跳动小于0. 01mm ，做滑动摩擦时上转轴不转动。

■测试原理

由弹簧装置给试样施加正压力，精确到5%以内。摩擦时，摩擦力矩M 自动记录在记录纸上；记录圆环转速的计数器或计时器，精确到1%以内；由此可测出其摩擦系数和磨耗量。

■试样要求

试样为长方体试样，尺寸为：30×6×7mm ，要求试样表面平整，无气泡、裂纹、分层、无明显杂质和加工损伤等缺陷，每组试样不少于3个。把试样装进夹具，摩擦面用角尺校正并使它与圆环的交线处于试样正中，装好摩擦力矩记录纸，开机校好零点。

■测试步骤

1试验步骤清除圆环油污，储存于干燥缸内以防生锈。试样经状态调节后用感量为0.1mg 的分析天平称其质量m 1。

238

4

对磨2h 后停机卸荷，取下试样和圆环，清洗试样表面后，用精度不低于0. 02mm 的量具测量磨痕宽度，或在试验环境下存放1h 后称取试样质量m 2，读取摩擦力矩值M 。

再次用乙醇、丙酮等不与塑料起作用的溶剂仔细清除试样和圆环上的油污，此后不准再用手接触试样，平稳地加荷至负荷值。

5

■结果计算与表示

●摩擦系数μ

式中，M —摩擦力矩M ，J ；N —弹簧

施加的载荷，N ；r —下试样半径，mm 。

●以体积磨损V 来表示磨损量

式中，m 1—试验前试样的质量；m 2—试验后试样的质量，g ；ρ—试样在23℃时的密度，g/mm 3。

mm 3

9

摩擦是一个非常复杂的力学物理过程，受很多因素的影响。

●表面粗糙度的影响。接触表面越粗糙，摩擦系数越大;

●负荷的影响。在相当大的负荷范围内，塑料的摩擦系数随负荷的增

大而缓慢下降;

■影响因素与讨论

●速度的影响。在室温内，在中、低速度范围内，塑料的摩擦系数随

速度的增加而增大，在高速下，滑动摩擦系数随速度的增加而降低;

●配对材料的影响。同一种材料，与不同材料配对时，其摩擦系数有

很大差别。

3.7

动态热机械分析

动态热机械分析（dynamic thermomechanical analysis ，DMA ）是指试样在交变外力作用下的响应。它所测量的是材料的粘弹性，即动态模量和力学损耗（即内耗）。测量方式有拉伸、压缩、弯曲、剪切和扭转等，可得到保持频率不变的动态力学温度谱和保持温度不变的动态力学频率谱。

当外力保持不变时的热力分析为静态热机械分析

（thermornechanical analysis ，TMA ），也就是在程序温度下，测量材料在静态负荷下的形变与温度的关系，亦称为热机械分析，其测量方式有拉伸、压缩、弯曲、针入、线膨胀和体膨胀等。

3.7.1

热机械分析

高分子在不同的温度下，对应于不同运动单元（高分子链、链段、链节、侧基等）的运动，表现不同的力学状态。

通过测定聚合物的温度-形变曲线（热机械曲线）可以了解聚合物分子运动与力学性质的关系，并可分析聚合物的结构形态，如结晶、交联、增塑、相对分子质量等。同时还可以得到聚合物的特征转变温度，如玻璃化温度T g 、粘流温度T f 和熔点T m 等，这对评价聚合物的耐热性、使用温度范围及加工温度等，具有一定的实用性。

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图为非晶态聚合物的热机械曲线。随温度变化出现三种力学状态，即玻璃态、高弹态和粘流态，曲线开始突变时的温度分别为玻璃化温度T g 和粘流温度T f 。结晶聚合物的结晶度、交联度及相对分子质量等均会影响热机械曲线的形状及T g 、T f 。

在程序控温条件下，给试样施加一恒定负荷，试样随温度（或时间）的变化而发生形变，采用一定方法测量这一形变过程，再以温度对形变作图，得到温度-形变曲线，这一技术就是热机械分析（TMA)，是静态热-力法，能获得聚合物主要的热转变温度的信息。

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热机械分析仪有两种类型，即浮筒式和天平式。负荷的施加方式有压缩、针入、弯曲、拉伸等，常用的是压缩力。此法使用压缩式温度-形变仪，由压样杠杆及样品炉、形变与温度测量系统、记录仪组成。利用差动变压器将压样杆的位移变化转换成电信号，通过测量系统检测形变，再直接由x-y 函数记录仪绘制出温度-形变曲线。

3.7.2

动态热机械分析

与静态法相比，采用动态法可以更深入地研究聚合物的力学性能，不仅能得到聚合物的玻璃化转变温度，而且能定量地获得聚合物在受力过程中吸收的能量，即测量消耗于聚合物分子间内摩擦的能量—内耗。基本原理

3.7.2.1

聚合物材料是典型的粘弹性材料，这种粘弹性表现在聚合物的一切力学行为上。聚合物的力学性质随时间的变化统称为力学松弛，根据聚合物材料受到外部作用的情况不同，可以观察到不同类型的力学松弛现象，最基本的有蠕变、应力松弛、滞后和力学损耗（内耗）等。

在实际应用中，聚合物材料制造的零部件常受动态交变载荷作用，如车辆轮胎的转动过程，塑料齿轮的传动过程、减振阻尼材料的吸振过程等。

在动态力学试验中，最常用的交变应力是正弦应力。

式中，σ(t) —随时间变化的应力；σ0—应力最大值；ω—角频率，ω=2πf （f 为频率）；t —时间；ωt 为相位角。

试样在正弦交变应力作用下的应变响应随材料性质不同而不同。

●对于粘弹性材料，应变落后于应力一个

相位角δ，0<δ<90 °。

●对于理想弹性体，应变对应力瞬时响应。应变响应是与应力同相位的

正弦函数：

●对于理想粘性体，应变落后于应力90°

聚合物在交变应力作用下，应变落后于应力变化的现象称为滞后

现象。滞后现象的发生是由于链段在运动时要受到内摩擦力的作用，

滞后相位角δ越大，说明链段运动越困难，越是跟不上外力的变化。

当应力和应变的变化一致时，没有滞后现象，每次应变所做的功

等于恢复原状时取得的功，没有功的消耗。

如果应变的变化落后于应力的变化，发生滞后现象，则每一循环

变化中就要消耗功，称为力学损耗，也称内耗。

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当ε(t)=ε

sinω时，因应力变化比应变领先一个相位角δ，有σ(t) =σ0sin(ωt+ δ)，此式可展开成:

与应变同相位，幅值为

σ0cosδ，体现材料的弹性

与应变相差90°，幅值为

σ0sinδ，体现材料的粘性

与应变相差90°的模量，为虚数模量

，又称损耗模量，反映耗能大小。

与应变同相位的模量，为实数模量，

又称储能模量，反映储能大小

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用复数模量表示为：

右图示出了各参数之间的关系，由图可知，

式中，δ—力学损耗角；tan δ—力学损耗角正切，又称“内耗因子”，反映了内耗的大小。

复数模量示图

聚合物内耗的大小与试样本身的结构有关，还与温度、频率、时间、应力（或应变）及环境因素（如湿度、介质等）有关。

研究粘弹性材料的动态力学性能随温度、频率、升降温速率、应变应力水平等的变化，可以揭示许多关于材料结构和分子运动的信息，对

理论研究与实际应用都具有重要意义。

试验装置

3.7.2.2

研究聚合物材料动态力学性能的仪器很多。各种仪器测量的频率范围不同，被测试样受力的方式也不相同，所得到的模量类型也就不同。动态粘弹谱仪侧量的是杨氏模量E，扭摆仪和扭辫仪测量的是剪切模量G。

目前大多数动态热机械分析仪器都可以用来测定聚合物试样的动态力学性能温度谱和频率谱，仪器的组成部分中一般都包括温控炉、温度控制与记录仪。程序控温范围可达150～600℃，甚至更宽。

炉内气氛一般用空气或氮气。此外，在测定一种材料在某一温度和某一频率下的动态力学性能时，应测试3个试样，最少不能少于2个试样，在测定温度谱和频率谱时，一般测1个试样即可。

■自由振动法仪器

自由振动法是一种常用的动态力学性能测试方法。它是研究试样在驱动力作用下自由振动时的振动周期、相邻两振幅间的对数减量以及它们与温度关系的技术，一般测定的是温度谱。扭摆仪和扭辫仪均属于自由衰减振动法的范畴。

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●扭摆仪（TPA ）

若给惯性摆杆一定力，使其扭转一小角度，随即撤去外力，由于试样的弹性回复力使惯性体开始做周期性扭转自由振动，由于试样内部分子之间内摩擦作用，振动受到阻尼衰减，振幅随时间延长越来越小，直到自动停止。如果试验在真空中进行，则这种衰减主要是由试样内部的力学阻尼所致。

利用换能器将这种摆动振幅的大小变为电信号，用电子电位差计记录出振幅的衰减曲线。

扭摆仪记录的衰减曲线

扭摆仪结构组成图

22

试验时，当试样的尺寸和转动惯量选定后，

模量只与振动周期的平方成反比。

用扭摆仪测得的模量为剪切模量G’和G”。储能剪切模量G’可由下式计算：矩形试样：

圆柱试样：

式中，L 、C 、D 分别为试样的有效长度、宽度和厚度；μ为试样的形状因子，其值决定于试样的C 、D 值；P 为振动周期；I 为体系的转动惯量：r 为试样的截面半径。

在扭摆试样中，内耗通常用对数减量?来衡量，它定义为两个相邻振动振幅之比的自然对数：

式中，A 1，A 2，A 3,···，A n ，A n+1分别为第1，2，3，···，n ，n+1个振动的振幅。

试验时，选择适当尺寸的试样，调节转动惯量，使扭摆振动频率约为1Hz ，以合适的温度间隔，测量各温度下的振动周期和振动曲线，即可计算出一系列G'和tan δ ，结果可得DMA 温度谱。

损耗剪切模量G”由G’和?计算：内耗因子：

损耗剪切模量：

●扭辫仪（TBA ）

扭辫仪（TBA ）是在扭摆法基础之上发展起来的，其原理和数据处理方法都与扭摆法类同。二者主要的区别在于制样不同。

测定时涂有样品的特制辫子的上端与启动装置连接，下端与换能盘

连接。用启动器使辫子扭转一个角度，它便自由扭动起来，并带动换能盘转动，使上偏振片与下偏振片之间的夹角周期性地变化，因而使透光强度发生变化。这种变化可由光电池转换成电信号后，由记录仪记录出与扭摆仪的衰减曲线相似的图形。

被测样品先要制成5%以上的溶液或加热使样品熔融，然后浸渍在一条由几千根惰性物质单丝（通常用玻璃纤维）编成的辫子上，再抽真空除去溶剂，即得到被测材料与惰性载体组成的复合试样。

缺点：由于这种方法使用的试样是复合体，几何形状不规则，无法测量试样尺寸，所以测不出试样剪切模量的绝对值，仅以相对刚度1/P 2（振动周期平方的倒数）表示。即扭辫法只能获得模量的相对值。

TBA 的优点：试样用量少（100mg 以下），制样简单，因此适合于探索新型聚合物的研究。

此外，由于采用玻璃纤维做载体，能在－180～＋600℃的温度范围内研究材料的多重转变，可以从液态、凝胶态、橡胶态一直研究到玻璃态，因而TBA 技术还可用于研究一些高分子反应，使它成为一个既能研究聚合物物理转变，又能研究其化学转变的分析技术。■强迫共振法仪器

在约为几赫兹到几万赫兹的频率范围内，用强迫共振技术可以很方便地测定材料的模量和内耗。

25

采用这些方法时，将一个周期变化的力或力矩施加到片状或杆状试样上，监测试样所产生的振幅，试样的振幅是驱动力频率的函数，当驱动力频率与试样的共振频率相等时，试样的振幅达最大值，这时测量试样的共振频率，即可计算出试样的模量和内耗。

在共振研究中常用的振动类型如图所示。它们是弯曲、扭转和纵向共振振动，弯曲和扭转共振又有不同的支撑方式。弯曲共振的频率最高，扭转次之，纵向共振的频率最低。

在上述共振动类型中，其中试样垂直放置，一端固定，另一端自由，这种方法称为振簧法。

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测定不同温度下的共振曲线，得到各温度的动态模量和内耗，将片状或纤维状试样的一端夹在夹具上，夹具连接在可周期性变动颇率的振动系统上。夹具受控振动，当改变振动频率与试样的自然频率相同时，引起试样的共振。试样自由端振幅将出现极大值时的频率称为共振频率f r ，振幅为极大值的

时的振动频率f 1和f 2之差?f=f 2-f 1，称为半宽颇率。●振簧仪

式中，L 、D 分别为试样的长度和宽度；ρ—试样密度；f r —试样基频共振频率；B —试样形状系数，片状试样B=38.24，圆柱状试样B=51.05。

据频率分布半宽计算出杨氏模量和内耗角正切值

■强迫非共振法仪器

强迫非共振法是指强迫试样以设定频率振动、测定试样在振动中的应力与应变幅值以及应力与应变之间的相位差，按定义式直接计算储能模量、损耗模量、动态粘度及损耗角正切值等性能参数。

由于是强迫非共振型，温度和频率是两个独立可变的参数，因此可

得到不同频率下的DMA 温度谱，也可以得到不同温度下的DMA 频率谱。

强迫非共振法试样的形变模式有多种，包括拉伸、压缩、剪切、弯曲等，在每一种形变模式下，不仅可以在固定频率下测定宽阔温度范围内的动态力学温度谱，或在固定温度下测定宽阔频率范围内的频率谱，而且还允许多种变量组合在一起的复杂试验模式。

动态粘弹谱仪适合测试固体动态流变仪

适合测试流体

强迫非共振仪器可分为两大类：

●动态粘弹谱仪

动态粘弹谱仪（DVES）自动化程度高，灵敏度高。近年来由于配以计算机，数据处理全部自动化，故进一步提高了此法的工作效率。

试样在控温箱中，两端被夹在夹具中。一端的夹具接振荡器，另

一端的夹具接传感器。振荡器将一定频率的正弦变化的应变作用于试样，同时此应变也反映到平移器，试样产生的应力则由传感器接收。

平移器和传感器将接收到的应变和应力的变化信号同时输送到信

号放大器和计算机，经放大的信号输入记录仪可绘制出模量-温度、

内耗角正切-温度的关系曲线，输出tan δ、E’、E’’、E*等数据。

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TA DMA Q800主机结构示意图TA DMA Q800

由TA、Perkin-Elmer、Netzsch等公司生产的TA DMA Q800、

PE DMA7、Netzsch DMA242等仪器的功能和试验模式大同小异。

这些仪器均设计了多种形变模式，如拉伸、压缩、剪切、单/双

悬臂梁和三点弯曲。在每一形变模式下试验模式有单点测试、应变扫

描、温度扫描、频率扫描、频率-温度扫描及时间扫描等。

30

动态热机械分析在聚合物中的应用3.7.2.3

典型非晶态聚合物的DMA温度谱结晶聚合物的DMA

温度谱

交联聚合物的DMA

温度谱

典型非晶态聚合物

的DMA频率谱

●耐热性

尼龙6和硬PVC的E’-T图

除了可以得到T

g

（或T

m

）外，从DMA温度谱图还可得到耐热性的下

列信息：材料在每一温度下储能模量值或模量保留的百分数；材料在各

温度区域内所处的物理状态；材料在某一温度附近，性能是否稳定。

设计人员可以利用上述几种信息来决定聚合物材料的最高使用温度

或选择适用的材料。即DMA图谱可以对聚合物材料在一个很宽温度范围

内（且连续变化）的短期耐热性给出较全面且定量的信息。

●耐寒性或低温韧性

塑料的耐寒性或者说低温韧性主要取决于组成塑料的聚合物在低温

下是否存在链段或比链段小的运动单元的运动。通过测定它们的DMA温

度谱中是否有低温损耗峰进行判断。若低温损耗峰所处的温度越低，强

度越高，则可以预测这种塑料的低温韧性好。因此凡存在明显的低温损

耗峰的塑料，在低温损耗峰顶对应的温度以上具有良好的冲击韧性。

●阻尼特性

为了实现减震、防震或吸音、隔音等，在民用工业、通讯、交通及

航空航天等领域均需要使用具有阻尼特性的材料。阻尼材料要求材料具

有高内耗，即tan δ大。

理想的阻尼材料应该在整个工作温度范围内均有较大的内耗，

tanδ-T曲线变化平缓，与温度坐标之间的包含面积尽量大。所以用DMA

温度谱可以很容易地选择出适合于在特定温度范围内使用的阻尼材料。

33第4 章聚合物流变性能测试

4.1毛细管粘度计

4.1.1熔融指数仪

4.1.2毛细管流变仪

4.2旋转流变仪

4.2.1同轴圆筒粘度计

4.2.2锥板粘度计

4.2.3平板粘度计

对聚合物流体流动性的研究一般用粘度计进行试验。实验流变学常用的仪器主要有：挤出式流变仪（毛细管流变仪、熔体指数仪）、转动式流变仪（同轴圆筒粘度计、锥板式流变仪）、转矩流变仪等。

4.1毛细管粘度计

4.1.1熔融指数仪

塑料工业中经常使用的熔融指数仪实质是一种恒压型毛细管流变仪。熔融指数（Melt Index，MI）也称为熔体流动指数（Melt Flow Index, MFI）或熔体流动速率（Melt Flow Rate，MFR），其定义为：在一定的温度下和规定负荷下，10min内从规定直径和长度的标准毛细管内流出的聚合物的熔体的质量。单位为g/10min。

熔体流动速率（MFR）是一种表示塑料加工时的流动性的数值，其值越大。表示该材料的加工流动性越佳，反之则越差。通过MFR的测量可比较物料平均相对分子量的大小，判断其适用于何种成型加工工艺。

对同种类型的聚合物，物料MFR高，说明其平均相对分子量小，此类物料多适于注塑成型工艺。MFR低，说明其平均相

对分子量大，此类物料多适于挤出成型工艺。

熔融指数仪是在给定的剪切速率下测定粘度参数的一种简易方法，可用于表征热塑性塑料在熔融状态下的粘流特性。对了解聚合物的分子量及其分布、交联程度以及保证热塑性塑料及制品的质量，调整生产工艺，都有重要的指导意义。

熔体流动速率的测定，参照GB/T 3682-2000《热塑性塑料熔体质

量流动速率和熔体体积流动速率的测定》标准。

图为熔体流动速率试验的结构示意图。料

筒外面包裹的是加热器，在料筒的底部有一只

口模，口模中心是熔体挤压流出的毛细管。料

筒内插入一支活塞杆，在杆的顶部压着砝码。

试验时，先将料筒加热，达到预期的试验温度后，将活塞杆拔出，

在料筒中心孔中灌入3～8g试样（塑料粒子或粉末）用工具压实后，再

将活塞杆放入，待试样熔融，在活塞杆顶部压上砝码。熔融的试样料通

过口模毛细管被挤出。然后，逐一收集按一定时间间隔的挤出物切段。

36熔体流动速率的计算公式为：

式中，MFR—熔体流动速率，g/10min；W—样条段质

量（算术平均值），g；t—切割样条段所需的时间，s。

37熔体流动速率的表示方法是MFR温度/负荷，以高密度聚乙烯为

例，在190℃, 2160g荷重条件下测得的熔体流动速率可表示为

MFR 190/2160。结果表示去两位有效数字。

对于同一种聚合物，在相同条件下，熔体流动速率越大，流动性越好，对于不同的聚合物，由于测定时所规定的条件不

同，因此不能用熔体流动速率的大小比较其流动性。

热塑性材料的试验条件

从熔融指数仪中得到的流动性能数据，是在低剪切速率下获得的，而实际成型加工过程往往是在较高的剪切速率下进行的；熔融指数仪的毛细管长径比小（=3.8），流体在口模中不能充分伸展，所以同时存在拉伸与剪切变形。

因此MFR数据只是一个大体上区别各种热塑性高聚物在熔融状态时流动性好坏的指标，还不能根据MFR数据预测实际成型加工工艺过程。

4.1.2毛细管流变仪

毛细管流变仪是目前发展得最成熟、最典型

、应用最广的流变测量仪。大部分高分子材料的

成型都包括熔体在压力下被挤出的过程，用毛细

管流变仪可以得到十分接近加工条件的流变学物

理量。可以在较宽的范围调节剪切速率和温度，

最接近加工条件，其剪切速率范围为101～106s-1

，剪切应力为104～106Pa。

毛细管流变仪可以求出施加于熔体上的剪切应力和剪切速率之间的关系，即求出熔体的流动曲线；又可以根据挤出物的直径和外观以及在恒定应力下通过改变毛细管的长径比来研究熔体的弹性和不稳定流动（包括熔体破裂）现象，从而预测聚合物的加工行为，作为选择复合物配

仪器还配有高档调速机构、测力机构、控温机构、自动记录和数据处理系统，计算机控制、运算和绘图软件，操作运用十分便捷。

毛细管流变仪的试验，参照GB/T 25278-2010《塑料用毛细管和狭缝口模流变仪测定塑料的流动性》标准。毛细管流变仪的基本构造如图所示，其核心部分为一套具有不同的长径比（通常L/D=10/1、20/1、30/1、40/1等）的毛细管，料筒周围为恒温加热套，内有电热丝；料筒内物料的上部为液压驱动的柱塞。物料经加热变为熔体后，在柱塞高压作用下，强迫从毛细管挤出，由此测量物料的粘弹性。

试验设备

4.1.2.1

40

熔体粘度的测定

4.1.2.2设在一个无限长的圆形毛细管中，塑料熔体在管中的流动为一种不可压缩的粘性流体的稳定层流，毛细管两端的压力差△P 由压力传感器测量。

由于流体具有粘性，它必然受到自管体与流动方向相反的作用力，通过粘滞阻力应与推动力相平衡等流体力学过程原理的推导，可得出管壁处的剪切应力（τ）与压力、剪切速率（

）与熔体流率的关系：

式中，R —毛细管半径，cm ；L —毛细管长度，cm ；?P —毛细管两端的压力差，Pa ；Q —流体容积流率，cm 3/s 。

41

在温度和毛细管长径比（L/D ）一定的条件下，测量不同的压力下塑料熔体通过毛细管的流动速率（Q ）可得到管壁处的剪切速率，

测量毛细管两端的压力差（?P ）可得到管壁处物料所受的剪切应力τ

，由此可计算物料的表观粘度

。

改变温度或改变毛细管长径比，则可得到代表粘度对温度依赖性的粘流活化能（E η）以及离模膨胀比等表征聚合物流变特性的物理参数。

将对应的剪切应力和剪切速率在双对数坐标上绘制流动曲线图，曲线上各点切线的斜率即为对应的非牛顿指数n ，即

。

非牛顿修正和入口校正

4.1.2.3由流变仪测定的数据直接进行计算只能得到产品的表观流变性。对于大多数聚合物熔体来说都属于非牛顿性流体，它在管中流动时具有弹性效应、壁面滑移和流动过程中的压力降等特性。况且在实验中毛细管的长度都是有限的，因此，由上述假设推导的实验结果与真实情况有一定的偏差。为此，对假设熔体为牛顿流体推导的剪切速率和适用于无限长的毛细管的剪切应力必须进行非牛顿修正和入口校正，方能得到毛细管管壁上的真实剪切速率和真实剪切应力。非牛顿修正常用的方法是Rabinowitsch 校正法，经校正后管壁处的剪切速率的计算式为：

■非牛顿修正

■入口校正

在实际加工和测试中，毛细管长度有限，熔体从直径较大的料筒进入毛细管时，轴向产生加速度，引起压力损耗，使实际作用在毛细管上的剪切应力减小，即产生入口效应。

毛细管入口效应修正即Bargley校正法。

料筒与毛细管中物料内

部压力的分布情况：

式中，?P

ent 为入口压力降；?P

cap

为口模内的压力降，表示稳态层流时

的粘性能损失；?P

exit 是出口处的压力，表征材料剩余弹性形变的能力。

44

物料在整个毛细管中的流动可分为三个区域：入口区、完全发展流动区、出口区。

对纯粘性的牛顿型流体而言，入口压力降很小，可忽略不计。而对

粘弹性流体，则必须考虑因弹性形变而导致的入口压力损失。

在实际测量时，压力传感器安装的位置并不在毛细管上，而是在料

筒筒壁处，于是测得的压力包括了入口区的压力降，完全发展流动区上

的压力降和出口区的压力降三部分。

式中，D为毛细管直径，cm；L为毛细管长度，cm；?P为毛细管两端的

压力差，Pa；e为Bargley校正系数，e＞0，必须由实验方法求出。

要得到流体的真实流变关系，必须考虑口模入口处的压力损失。Bargley校正法是依据在一定剪切速率下，料筒与毛细管的总压力降和

毛细管的长径比呈线性关系，入口压力的损失等价于毛细管长度的增加

，得到校正后的毛细管壁上的剪切应力计算式为：

45

确定Bargley修正因子的实验方法：

选择长径比不同的毛细管，在同一

体积流量下，测量压差?P为纵坐标、长

径比L/D为横坐标作图。延长图中直线交

于△P轴，其纵向截距等于入口压力降

?P ent，继续延长直线与L/D轴相交，横

向截距等于L/D=e/2。

实验发现，当毛细管长径比L/D小，而剪切速率大，温度低时，入口校正不可忽视。当长径比很大时，一般要求大于40/1，入口压力降在总压力降中所占的比重小，此时可不作入口校正。

相对而言，出口压力降比入口压力降小得多。对牛顿型流体来讲，出口压力降为0，等于大气压。

毛细管流变仪除了测定粘度外，还可以观察挤出物的直径和外形或改变毛细管的长径比来研究聚合物流体的弹性和不稳定流动现象。

聚合物熔体弹性的研究

4.1.2.4

对于粘弹性流体，若在毛细管入口区的弹性形

变经过毛细管后尚未全部松弛，至出口处仍残存部

分内压力，则将表现为出口压力降?P

exit

。使用毛

细管流变仪测量挤出胀大比B和出口压力?p

exit

，然

后用以下公式计算法向应力差，从而可以研究聚合

物熔体的弹性效应：

●Tanner公式由挤出胀大比B计算第一法向应力差：

●Han公式由出口压力?p exit 计算第一、第二法向应力差：

4.2

旋转流变仪

旋转粘度计是一类相对复杂的粘度计。可用于稳态、振荡或动态

模式下粘度的测试。它依靠旋转运动来产生简单剪切流动，可以用来快速确定材料的粘性、弹性等各方面的流变性能。

属于这一类的粘度计有：同轴圆筒粘度计、锥板粘度计、平行板粘度计、圆盘-圆筒粘度计、转子圆筒粘度计等。

48

旋转式粘度计的优点：适用范围宽，测量方便，易得到大量的数据，对于性质随时间变化的连续测量来说，可以在不同的剪切速率下对同种材料进行测量，因而广泛地应用于测量牛顿型液体的绝对粘度、非牛顿型液体的表观粘度及流变特性。其缺点是测量精度较低，测得的粘度值一般为相对值。

4.2.1

同轴圆筒粘度计

同轴圆筒粘度计多用于低粘度液体、聚合物溶液、塑料溶胶和胶乳的粘度测定。从结构上主要可以分为单圆简旋转式粘度计和双圆筒旋转式粘度计两种类型。49

单圆筒旋转式粘度计

4.2.1.1

弹性元件产生扭转，测量这个扭转来得到小圆筒所受到的粘性力矩，再根据马克斯公式计算得到流体的粘度。

只有一个圆筒。其工作原理是：由一台微型同步电动机带动上、下两个圆盘和圆筒一起旋转，由于受到流体的粘滞力作用，圆筒及与圆筒刚性连接的下盘的旋转将会滞后于上盘，从而使得

式中，η为液体动力粘度；h 为测量小圆筒浸于待测液体中的高度；R f 为小圆筒的半径；R a 为待测液体容器的半径；M 为粘性力矩；ω为小圆筒旋转角速度。

双圆筒旋转式粘度计

4.2.1.2

双圆筒旋转式粘度计又可以分为两种：内筒转动，外筒固定外筒转动而内筒不动

结构如右图所示，外圆筒是用来盛被测液

体的容器，固定不动，内圆筒为浸入被测流体中进行旋转的空心圆筒，与外圆筒同轴。

●内圆筒旋转式粘度计

微型同步电动机带动内圆筒以一定的速率旋转，内圆筒在被测流体

中旋转时受到了粘滞阻力的作用，产生反作用迫使电机壳体偏转，使与壳体相连的两根一正一反安装的金属游丝产生扭转，当游丝的扭矩与粘滞阻力力矩达到平衡时，扭矩与转筒所受的粘滞阻力成正比。计算得：

式中，η为液体动力粘度；R 1为内筒半径；R 2为外筒半径；M 为转矩，h （4-1）

●外圆筒旋转式粘度计

将内、外圆筒都浸入被测流体中，由电动

机带动外圆筒以一定的速率进行旋转，内圆筒由

于受到两圆筒之间的被测流体的粘滞力作用而发

生偏转，与内圆筒相连的张丝扭转所产生的恢复

力矩与粘滞力矩的方向相反，当张丝的恢复力矩

和粘滞力矩达到平衡时，内圆筒的偏转角大小与

引起粘滞力矩的粘滞系数成正比。

通过光耦合器测量外圆筒的转速和内圆筒的扭矩，也通过式（4-1）

计算流体的粘度值。

考虑到除了环形间隙内流体产生的转矩外，内筒末端的流体还产生

一个附加的转矩，须对同轴圆筒粘度计进行末端改正。实际测得的转矩

相当于内筒为某个表观长度（大于内筒的实际长度）时测得的结果。

52

故式（4-1）应改为：

式中，h

是改正长度，它由改变浸没长度的测量结果外推至浸没

长度为零的方法来估算，但更为简便的方法是，用一个已知粘度的液体

来标定粘度计的仪器常数K ，并使用式（4-2）进行计算:

只要粘度计中液体的体积保持不变，则仪器常数K就包括了一切需

要改正的因素。

同轴圆筒粘度计的主要优点：当内外筒间隙很小时，被测流体

各个部分的切变速率接近均一，此外，同轴圆筒粘度计容易校准，且

改正量较小。主要缺点：对于很粘的聚合物熔体装料困难，其次，圆

筒旋转时在聚合物中产生的法向应力会使获合物沿圆筒轴往上爬。

53

（4-2）

对聚合物流体流动性的研究一般用粘度计进行试验。实验流变学常用的仪器主要有：挤出式流变仪（毛细管流变仪、熔体指数仪）、转动式流变仪（同轴圆筒粘度计、锥板式流变仪）、转矩流变仪等。

4.1毛细管粘度计

4.1.1熔融指数仪

塑料工业中经常使用的熔融指数仪实质是一种恒压型毛细管流变仪。熔融指数（Melt Index，MI）也称为熔体流动指数（Melt Flow Index, MFI）或熔体流动速率（Melt Flow Rate，MFR），其定义为：在一定的温度下和规定负荷下，10min内从规定直径和长度的标准毛细管内流出的聚合物的熔体的质量。单位为g/10min。

熔体流动速率（MFR）是一种表示塑料加工时的流动性的数值，其值越大。表示该材料的加工流动性越佳，反之则越差。通过MFR的测量可比较物料平均相对分子量的大小，判断其适用于何种成型加工工艺。

对同种类型的聚合物，物料MFR高，说明其平均相对分子量小，此类物料多适于注塑成型工艺。MFR低，说明其平均相

对分子量大，此类物料多适于挤出成型工艺。

熔融指数仪是在给定的剪切速率下测定粘度参数的一种简易方法，可用于表征热塑性塑料在熔融状态下的粘流特性。对了解聚合物的分子量及其分布、交联程度以及保证热塑性塑料及制品的质量，调整生产工艺，都有重要的指导意义。

熔体流动速率的测定，参照GB/T 3682-2000《热塑性塑料熔体质

量流动速率和熔体体积流动速率的测定》标准。

图为熔体流动速率试验的结构示意图。料

筒外面包裹的是加热器，在料筒的底部有一只

口模，口模中心是熔体挤压流出的毛细管。料

筒内插入一支活塞杆，在杆的顶部压着砝码。

试验时，先将料筒加热，达到预期的试验温度后，将活塞杆拔出，

在料筒中心孔中灌入3～8g试样（塑料粒子或粉末）用工具压实后，再

将活塞杆放入，待试样熔融，在活塞杆顶部压上砝码。熔融的试样料通

过口模毛细管被挤出。然后，逐一收集按一定时间间隔的挤出物切段。

56熔体流动速率的计算公式为：

式中，MFR—熔体流动速率，g/10min；W—样条段质

量（算术平均值），g；t—切割样条段所需的时间，s。

57熔体流动速率的表示方法是MFR温度/负荷，以高密度聚乙烯为

例，在190℃, 2160g荷重条件下测得的熔体流动速率可表示为

MFR 190/2160。结果表示去两位有效数字。

对于同一种聚合物，在相同条件下，熔体流动速率越大，流动性越好，对于不同的聚合物，由于测定时所规定的条件不

同，因此不能用熔体流动速率的大小比较其流动性。

热塑性材料的试验条件

从熔融指数仪中得到的流动性能数据，是在低剪切速率下获得的，而实际成型加工过程往往是在较高的剪切速率下进行的；熔融指数仪的毛细管长径比小（=3.8），流体在口模中不能充分伸展，所以同时存在拉伸与剪切变形。

因此MFR数据只是一个大体上区别各种热塑性高聚物在熔融状态时流动性好坏的指标，还不能根据MFR数据预测实际成型加工工艺过程。

4.1.2毛细管流变仪

毛细管流变仪是目前发展得最成熟、最典型

、应用最广的流变测量仪。大部分高分子材料的

成型都包括熔体在压力下被挤出的过程，用毛细

管流变仪可以得到十分接近加工条件的流变学物

理量。可以在较宽的范围调节剪切速率和温度，

最接近加工条件，其剪切速率范围为101～106s-1

，剪切应力为104～106Pa。

毛细管流变仪可以求出施加于熔体上的剪切应力和剪切速率之间的关系，即求出熔体的流动曲线；又可以根据挤出物的直径和外观以及在恒定应力下通过改变毛细管的长径比来研究熔体的弹性和不稳定流动（包括熔体破裂）现象，从而预测聚合物的加工行为，作为选择复合物配

仪器还配有高档调速机构、测力机构、控温机构、自动记录和数据处理系统，计算机控制、运算和绘图软件，操作运用十分便捷。

毛细管流变仪的试验，参照GB/T 25278-2010《塑料用毛细管和狭缝口模流变仪测定塑料的流动性》标准。毛细管流变仪的基本构造如图所示，其核心部分为一套具有不同的长径比（通常L/D=10/1、20/1、30/1、40/1等）的毛细管，料筒周围为恒温加热套，内有电热丝；料筒内物料的上部为液压驱动的柱塞。物料经加热变为熔体后，在柱塞高压作用下，强迫从毛细管挤出，由此测量物料的粘弹性。

试验设备

4.1.2.1

60

熔体粘度的测定

4.1.2.2设在一个无限长的圆形毛细管中，塑料熔体在管中的流动为一种不可压缩的粘性流体的稳定层流，毛细管两端的压力差△P 由压力传感器测量。

由于流体具有粘性，它必然受到自管体与流动方向相反的作用力，通过粘滞阻力应与推动力相平衡等流体力学过程原理的推导，可得出管壁处的剪切应力（τ）与压力、剪切速率（

）与熔体流率的关系：

式中，R —毛细管半径，cm ；L —毛细管长度，cm ；?P —毛细管两端的压力差，Pa ；Q —流体容积流率，cm 3/s 。

61

在温度和毛细管长径比（L/D ）一定的条件下，测量不同的压力下塑料熔体通过毛细管的流动速率（Q ）可得到管壁处的剪切速率，

测量毛细管两端的压力差（?P ）可得到管壁处物料所受的剪切应力τ

，由此可计算物料的表观粘度

。

改变温度或改变毛细管长径比，则可得到代表粘度对温度依赖性的粘流活化能（E η）以及离模膨胀比等表征聚合物流变特性的物理参数。

将对应的剪切应力和剪切速率在双对数坐标上绘制流动曲线图，曲线上各点切线的斜率即为对应的非牛顿指数n ，即

。

非牛顿修正和入口校正

4.1.2.3由流变仪测定的数据直接进行计算只能得到产品的表观流变性。对于大多数聚合物熔体来说都属于非牛顿性流体，它在管中流动时具有弹性效应、壁面滑移和流动过程中的压力降等特性。况且在实验中毛细管的长度都是有限的，因此，由上述假设推导的实验结果与真实情况有一定的偏差。为此，对假设熔体为牛顿流体推导的剪切速率和适用于无限长的毛细管的剪切应力必须进行非牛顿修正和入口校正，方能得到毛细管管壁上的真实剪切速率和真实剪切应力。非牛顿修正常用的方法是Rabinowitsch 校正法，经校正后管壁处的剪切速率的计算式为：

■非牛顿修正

■入口校正

在实际加工和测试中，毛细管长度有限，熔体从直径较大的料筒进入毛细管时，轴向产生加速度，引起压力损耗，使实际作用在毛细管上的剪切应力减小，即产生入口效应。

毛细管入口效应修正即Bargley校正法。

料筒与毛细管中物料内

部压力的分布情况：

式中，?P

ent 为入口压力降；?P

cap

为口模内的压力降，表示稳态层流时

的粘性能损失；?P

exit 是出口处的压力，表征材料剩余弹性形变的能力。

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物料在整个毛细管中的流动可分为三个区域：入口区、完全发展流动区、出口区。

对纯粘性的牛顿型流体而言，入口压力降很小，可忽略不计。而对

粘弹性流体，则必须考虑因弹性形变而导致的入口压力损失。

在实际测量时，压力传感器安装的位置并不在毛细管上，而是在料

筒筒壁处，于是测得的压力包括了入口区的压力降，完全发展流动区上

的压力降和出口区的压力降三部分。

式中，D为毛细管直径，cm；L为毛细管长度，cm；?P为毛细管两端的

压力差，Pa；e为Bargley校正系数，e＞0，必须由实验方法求出。

要得到流体的真实流变关系，必须考虑口模入口处的压力损失。Bargley校正法是依据在一定剪切速率下，料筒与毛细管的总压力降和

毛细管的长径比呈线性关系，入口压力的损失等价于毛细管长度的增加

，得到校正后的毛细管壁上的剪切应力计算式为：

65

确定Bargley修正因子的实验方法：

选择长径比不同的毛细管，在同一

体积流量下，测量压差?P为纵坐标、长

径比L/D为横坐标作图。延长图中直线交

于△P轴，其纵向截距等于入口压力降

?P ent，继续延长直线与L/D轴相交，横

向截距等于L/D=e/2。

实验发现，当毛细管长径比L/D小，而剪切速率大，温度低时，入口校正不可忽视。当长径比很大时，一般要求大于40/1，入口压力降在总压力降中所占的比重小，此时可不作入口校正。

相对而言，出口压力降比入口压力降小得多。对牛顿型流体来讲，出口压力降为0，等于大气压。

毛细管流变仪除了测定粘度外，还可以观察挤出物的直径和外形或改变毛细管的长径比来研究聚合物流体的弹性和不稳定流动现象。

聚合物熔体弹性的研究

4.1.2.4

对于粘弹性流体，若在毛细管入口区的弹性形

变经过毛细管后尚未全部松弛，至出口处仍残存部

分内压力，则将表现为出口压力降?P

exit

。使用毛

细管流变仪测量挤出胀大比B和出口压力?p

exit

，然

后用以下公式计算法向应力差，从而可以研究聚合

物熔体的弹性效应：

●Tanner公式由挤出胀大比B计算第一法向应力差：

●Han公式由出口压力?p exit 计算第一、第二法向应力差：

4.2

旋转流变仪

旋转粘度计是一类相对复杂的粘度计。可用于稳态、振荡或动态

模式下粘度的测试。它依靠旋转运动来产生简单剪切流动，可以用来快速确定材料的粘性、弹性等各方面的流变性能。

属于这一类的粘度计有：同轴圆筒粘度计、锥板粘度计、平行板粘度计、圆盘-圆筒粘度计、转子圆筒粘度计等。

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旋转式粘度计的优点：适用范围宽，测量方便，易得到大量的数据，对于性质随时间变化的连续测量来说，可以在不同的剪切速率下对同种材料进行测量，因而广泛地应用于测量牛顿型液体的绝对粘度、非牛顿型液体的表观粘度及流变特性。其缺点是测量精度较低，测得的粘度值一般为相对值。

4.2.1

同轴圆筒粘度计

同轴圆筒粘度计多用于低粘度液体、聚合物溶液、塑料溶胶和胶乳的粘度测定。从结构上主要可以分为单圆简旋转式粘度计和双圆筒旋转式粘度计两种类型。69

单圆筒旋转式粘度计

4.2.1.1

弹性元件产生扭转，测量这个扭转来得到小圆筒所受到的粘性力矩，再根据马克斯公式计算得到流体的粘度。

只有一个圆筒。其工作原理是：由一台微型同步电动机带动上、下两个圆盘和圆筒一起旋转，由于受到流体的粘滞力作用，圆筒及与圆筒刚性连接的下盘的旋转将会滞后于上盘，从而使得

式中，η为液体动力粘度；h 为测量小圆筒浸于待测液体中的高度；R f 为小圆筒的半径；R a 为待测液体容器的半径；M 为粘性力矩；ω为小圆筒旋转角速度。

双圆筒旋转式粘度计

4.2.1.2

双圆筒旋转式粘度计又可以分为两种：内筒转动，外筒固定外筒转动而内筒不动

结构如右图所示，外圆筒是用来盛被测液

体的容器，固定不动，内圆筒为浸入被测流体中进行旋转的空心圆筒，与外圆筒同轴。

●内圆筒旋转式粘度计

微型同步电动机带动内圆筒以一定的速率旋转，内圆筒在被测流体

中旋转时受到了粘滞阻力的作用，产生反作用迫使电机壳体偏转，使与壳体相连的两根一正一反安装的金属游丝产生扭转，当游丝的扭矩与粘滞阻力力矩达到平衡时，扭矩与转筒所受的粘滞阻力成正比。计算得：

式中，η为液体动力粘度；R 1为内筒半径；R 2为外筒半径；M 为转矩，h （4-1）

●外圆筒旋转式粘度计

将内、外圆筒都浸入被测流体中，由电动

机带动外圆筒以一定的速率进行旋转，内圆筒由

于受到两圆筒之间的被测流体的粘滞力作用而发

生偏转，与内圆筒相连的张丝扭转所产生的恢复

力矩与粘滞力矩的方向相反，当张丝的恢复力矩

和粘滞力矩达到平衡时，内圆筒的偏转角大小与

引起粘滞力矩的粘滞系数成正比。

通过光耦合器测量外圆筒的转速和内圆筒的扭矩，也通过式（4-1）

计算流体的粘度值。

考虑到除了环形间隙内流体产生的转矩外，内筒末端的流体还产生

一个附加的转矩，须对同轴圆筒粘度计进行末端改正。实际测得的转矩

相当于内筒为某个表观长度（大于内筒的实际长度）时测得的结果。

72

故式（4-1）应改为：

式中，h

是改正长度，它由改变浸没长度的测量结果外推至浸没

长度为零的方法来估算，但更为简便的方法是，用一个已知粘度的液体

来标定粘度计的仪器常数K ，并使用式（4-2）进行计算:

只要粘度计中液体的体积保持不变，则仪器常数K就包括了一切需

要改正的因素。

同轴圆筒粘度计的主要优点：当内外筒间隙很小时，被测流体

各个部分的切变速率接近均一，此外，同轴圆筒粘度计容易校准，且

改正量较小。主要缺点：对于很粘的聚合物熔体装料困难，其次，圆

筒旋转时在聚合物中产生的法向应力会使获合物沿圆筒轴往上爬。

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（4-2）